上海深厚軟土分布區(qū)超大深基坑工程設(shè)計與分析

尤 波

(華設(shè)設(shè)計集團股份有限公司， 南京 210001)

隨著近年來上海浦東新區(qū)的快速發(fā)展，出現(xiàn)越來越多的大型商業(yè)辦公綜合體項目，伴隨著大量的地下商場、地下車庫等商業(yè)性的地下空間開發(fā)。由于項目位于浦東新區(qū)，項目所在場區(qū)軟土層分布較厚。在深厚軟土分布區(qū)進行地下空間開發(fā)，其設(shè)計、施工難度大，風險高，基坑圍護工程造價高。文章主要介紹了深厚軟土層基坑工程的特點以及設(shè)計的控制要點，可為類似基坑工程提供參考。

1 工程實例

1.1 項目概況

1)基坑情況

項目位于上海市浦東新區(qū)，基坑總面積約為13 380 m2，總延長米約為700 m，基坑形狀不規(guī)則。基坑普遍開挖深度為11.65 m，最深貼邊集水坑區(qū)域挖深約為14.35 m。根據(jù)上海市基坑規(guī)范，基坑安全等級和環(huán)境保護等級均為二級[2]。

2)環(huán)境情況

基坑工程東側(cè)為規(guī)劃景觀湖，基坑實施期間為荒地，尚未建造。南側(cè)為規(guī)劃啟帆路，基坑施工期間道路未施工，僅為素砼鋪設(shè)的臨時道路，道路南側(cè)為已建成的商場，基坑距離商場較遠,約為50 m?；游鱾?cè)為規(guī)劃流云路，該規(guī)劃路尚未施工，規(guī)劃路寬約24 m，規(guī)劃路西側(cè)為已建商業(yè)辦公樓，基坑距離已建辦公樓約36.5 m?；颖眰?cè)為規(guī)劃秋水路，秋水路尚未施工，寬約24 m。周邊環(huán)境相對寬松。

1.2 地質(zhì)水文概況

擬建場地屬于濱海平原地貌類型。地基土主要由粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土和粉砂等組成，其中軟土層主要為③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土和④層淤泥質(zhì)粘土，淤泥質(zhì)軟土最大厚度超過16 m。

工程地下水分為淺層孔隙潛水和深層承壓水，其中潛水位埋深0.7～1.5 m。承壓水主要為⑦層第I承壓水，由于⑦層承壓水層埋深約30 m，經(jīng)驗算，基坑普遍區(qū)域和集水井區(qū)域挖深情況下，抗承壓水穩(wěn)定性均滿足要求，故工程基坑可不考慮承壓水突涌情況。

場地土層主要物理力學參數(shù)見表1。

表1 土層主要物理力學性質(zhì)參數(shù)表

1.3 基坑特點

1)基坑規(guī)模：工程基坑面積約為13 381 m2，總延長米約為696 m?；悠毡閭?cè)挖深11.65 m，貼邊集水坑區(qū)域基坑挖深達14.35 m，屬于大面積深基坑工程。

2)地基土：工程場區(qū)土層屬于上海地區(qū)典型③、④層淤泥質(zhì)軟土分布區(qū)。軟土總厚度約15～16 m。從第一道支撐底至普遍區(qū)域坑底以下6.5 m均為淤泥軟土層分布，基坑施工及土方開挖難度大。

3)不良地質(zhì)：擬建場地東側(cè)和南側(cè)局部有厚填土分布，厚填土夾植物根莖等雜物，土性較差，厚度在2.8～3.6 m。圍護樁施工需要對影響成樁質(zhì)量的厚填土進行處理。

4)施工空間：工程基坑邊線距離四周紅線均為4 m左右，西側(cè)、南側(cè)和北側(cè)紅線位置為場地圍墻，該三側(cè)圍墻內(nèi)部設(shè)置為施工道路，施工空間狹小。西側(cè)和北側(cè)圍墻外為規(guī)劃流云路和規(guī)劃秋水路，施工期間為相鄰地塊已建辦公樓場地的臨時施工道路、材料堆場和鋼筋加工區(qū)?；訓|側(cè)為紅線，外為場地圍墻，圍墻外為各地塊集中臨設(shè)和項目辦公區(qū)。整個場區(qū)布置相對較為緊湊，施工空間較小。

5)土方工程：工程基坑面積較大，基坑總土方量約15.6萬方，且土方大部分為淤泥質(zhì)軟土層，土方開挖難度較大。

1.4 方案設(shè)計

1.4.1 方案選型

工程基坑屬于深大基坑工程。綜合基坑周邊環(huán)境以及基坑自身特點，在滿足上海市基坑工程相關(guān)規(guī)范和發(fā)行的相關(guān)條文規(guī)定的基礎(chǔ)上，考慮選擇圍護樁結(jié)合內(nèi)支撐的板式支護體系進行支護。

1)圍護結(jié)構(gòu)體系選型

圍護結(jié)構(gòu)可采用SMW工法樁、鉆孔灌注樁、地下連續(xù)墻[3]等。

SMW工法樁：SMW工法樁工藝成熟，施工難度小，但其剛度相對灌注樁和地墻較弱，基坑開挖后，圍護樁變形較大，變形較大容易使三軸開裂，導致滲漏。且SMW工法樁中的型鋼為租賃，適合工期較短的基坑。綜合以上因素，SMW工法樁對于本工程基坑不適用。

地下連續(xù)墻：地下連續(xù)墻剛度大，止水效果在所有圍護體中最好。施工工藝成熟，墻體的質(zhì)量有保證，占用空間較少。圍護結(jié)構(gòu)變形和周邊地層的位移和沉降都較小，適合于周邊環(huán)境保護類型較高、基坑開挖深度較深的大型深基坑工程。但地下連續(xù)墻造價較高，從業(yè)主對經(jīng)濟性的要求，地下連續(xù)墻不適用。

鉆孔灌注樁+攪拌樁止水帷幕：鉆孔灌注樁結(jié)合攪拌樁止水帷幕是傳統(tǒng)的圍護結(jié)構(gòu)形式，施工工藝成熟，施工難度小，適用于大部分基坑工程。其樁身剛度和工程造價均介于SMW工法樁和地下連續(xù)墻之間。從基坑工程安全性、工程造價經(jīng)濟性、施工便利性等因素考慮，均適用于本基坑工程。

止水帷幕可采用雙、三軸水泥土攪拌樁或者五軸水泥土攪拌樁，其中五軸攪拌樁屬于近年來新興發(fā)展起來的工法[4]，具有高效、環(huán)保綠色的特點。五軸攪拌樁成樁采用“兩噴兩攪”工藝。在同等條件下，通過與雙軸攪拌樁和三軸攪拌樁工效對比，五軸攪拌樁每天完成方量是雙軸攪拌樁的7～10倍，是三軸攪拌樁的2～3倍。工效優(yōu)勢較為明顯。

2)支撐體系選型

支撐體系分為鋼筋混凝土支撐體系和鋼支撐體系。其中鋼支撐分為鋼管支撐和型鋼支撐。

鋼支撐：鋼支撐體系為鋼支撐結(jié)合鋼立柱的形式。當基坑面積較小，且形狀比較規(guī)則時，鋼支撐受力和控制變形的能力能夠得到有效發(fā)揮，但鋼支撐桿件的受力和穩(wěn)定性受支撐桿件長度限制，其中常用的單根Φ609鋼管支撐的極限長度約60 m，桿件過長的鋼支撐體系，其受力和穩(wěn)定性控制均難以保證。

鋼筋混凝土支撐：鋼筋混凝土支撐體系為鋼筋混凝土支撐結(jié)合立柱的形式，其立柱為灌注樁內(nèi)插角鋼格構(gòu)柱的豎向組合結(jié)構(gòu)體。鋼筋混凝土支撐體系不受基坑深度和基坑形狀的限制，支撐剛度大，布置形式靈活，控制變形效果好，適用范圍廣泛。

根據(jù)上海市建設(shè)主管部門相關(guān)規(guī)定，基坑挖深超過8 m，必須設(shè)置兩道支撐，且第一道支撐需為混凝土支撐，故本工程基坑支撐體系采用兩道鋼筋混凝土支撐。

綜上，工程基坑采用鉆孔灌注樁結(jié)合五軸攪拌樁止水帷幕作為圍護結(jié)構(gòu)體系，采用鋼筋混凝土支撐結(jié)合鉆孔樁內(nèi)插角鋼格構(gòu)柱作為支撐體系。

1.4.2 圍護體系

圍護結(jié)構(gòu)采用Φ900@1 100、Φ1 000@1 200、Φ1 100@1 300灌注樁。止水帷幕采用Φ800@500五軸水泥土攪拌樁，其有效長度為17.5 m，水泥摻量為13%，水灰比為0.8，28 d無側(cè)限抗壓強度標準值不小于0.8 MPa。其中普遍區(qū)域基坑典型剖面見圖1(圖中尺寸單位為mm，高程單位為m)。

1.4.3 基坑加固

工程基坑總體呈不規(guī)則多邊形形式，其南北向單邊長度超過200 m，且基坑開挖范圍內(nèi)均為流塑狀態(tài)淤泥質(zhì)土，因此，采用被動區(qū)加固的方式控制基坑長邊效應的變形是十分必要的?；蛹庸谭譃閲o結(jié)構(gòu)被動區(qū)加固和基坑內(nèi)集水井加固兩種。

基坑內(nèi)被動區(qū)加固可以提高被動區(qū)抗力，有效控制基坑開挖過程圍護樁變形。被動區(qū)加固采用φ700@500雙軸水泥土攪拌樁格柵布樁的形式，加固厚度為坑底以上6.8 m和坑底以下4 m，水泥摻量為13%，另基坑邊分布有1.7 m和2.7 m集水井區(qū)域，采用φ800@600高壓旋噴樁加固，加固厚度為坑底以上6.8 m和坑底以下6 m，水泥摻量為25%。

基坑內(nèi)1.4 m集水井不進行加固，1.7 m/1.8 m集水井采用700@500雙軸水泥土攪拌樁進行加固，加固樁長4 m，水泥摻量13%，2.8 m集水井采用高壓旋噴樁加固，加固樁長6 m，水泥摻量25%。

1.4.4 支撐體系

工程基坑采用鋼筋混凝土支撐，支撐布置采用角、對撐結(jié)合邊桁架的形式。工程場地有兩個出入口，分別在東側(cè)南、北兩端。基坑周邊設(shè)置為貫通的臨時道路，故工程基坑采用三道東、西向棧橋布置，棧橋連接周邊施工道路，形成貫通的施工環(huán)路交通體系。既滿足基坑土方車回轉(zhuǎn)，也能兼顧施工過程建材堆放的平臺，緩解施工場地緊張的問題。

棧橋?qū)挾仍O(shè)置為12 m，保證兩車道通行。基坑施工期間，要求棧橋上運載車輛荷載不超過60 t，堆載不超過25 kPa，并避免出現(xiàn)兩臺滿載運土車或挖機等設(shè)備位于同一跨度內(nèi)等不利荷載分布情況，當有空載車輛時，空載車輛不得超過2輛，以保證安全。支撐桿件信息見表2。支撐、棧橋布置圖見圖2(陰影部分為棧橋分布區(qū))。

表2 支撐信息表 mm×mm

1.4.5 降水系統(tǒng)

工程為地下兩層基坑，考慮采用真空管井降水。每口真空管井有效降水面積取200 m2?；涌偯娣e約13 381 m2，理論上布置70口深井，考慮實際施工過程中損耗、死井等情況，實際布置真空管井為80口。管井長度17 m，管井至坑底以下5.35 m，進入到④層淤泥質(zhì)粘土。為保證降水效果，真空降水管井采用多濾頭形式設(shè)置，即第1、2道支撐設(shè)置3 m長濾頭，第2道支撐至基底設(shè)置2 m長濾頭，基底以下設(shè)置3 m長濾頭。

經(jīng)驗算基坑內(nèi)承壓水滿足抗突涌穩(wěn)定性要求，故不考慮布置減壓井，基坑內(nèi)部集水井等深坑區(qū)域考慮采用高壓旋噴樁加固和封底等措施，保證基坑安全。

1.5 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

工程基坑監(jiān)測包括地表沉降、圍護墻頂變形、立柱隆沉、水位監(jiān)測和圍護樁測斜等。

根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果顯示，基坑周邊圍護墻墻頂共設(shè)置37個監(jiān)測點，其中墻頂沉降量均為30～33 mm，墻頂水平位移量普遍向坑內(nèi)位移了3～11 mm，均控制在報警值以內(nèi)。

工程坑外共設(shè)置13個水位監(jiān)測點，水位變化基本在150～450 mm，均控制在報警值范圍內(nèi)，另有個別水位監(jiān)測點出現(xiàn)了水位下降過大的情況，水位沉降超過了報警值。這是由于該點處止水帷幕出現(xiàn)滲漏，出現(xiàn)滲漏后，業(yè)主召集各參建單位經(jīng)認真討論滲漏原因后，及時采取了引水和封堵措施，使得坑外水位及時恢復，保證了周邊環(huán)境的安全。

工程基坑共設(shè)置20個圍護樁測斜監(jiān)測點，基坑開挖至基底時，大部分監(jiān)測點樁身位移為30～45 mm，最大變形處位于樁身12～13 m處，與理論計算值基本吻合。圍護樁變形理論計算與實際監(jiān)測對比如圖3所示。

基坑支撐軸力監(jiān)測點第一道支撐和第二道支撐分別布置19個監(jiān)測點。其中第一道支撐軸力監(jiān)測值基本在3 000 kN左右，個別測點達到4 500 kN，均在報警值范圍內(nèi)。第二道支撐軸力監(jiān)測值約為4 000～6 000 kN，在報警值范圍內(nèi)，個別測點達到8 000 kN。經(jīng)現(xiàn)場觀測，砼支撐表觀并未出現(xiàn)裂縫等現(xiàn)象。

總體而言，基坑圍護結(jié)構(gòu)實際監(jiān)測結(jié)果與理論計算結(jié)果基本吻合?；涌傮w變形控制較好，保證了基坑的安全。

2 結(jié) 論

a.基坑位于上海市浦東新區(qū)，項目場區(qū)屬于典型的軟土分布區(qū)，其淤泥質(zhì)軟土最大厚度達17 m，豎向分布在整個基坑開挖范圍內(nèi)，基坑工程的設(shè)計和施工難度較大。

b.基坑工程在設(shè)計時，針對該項目深厚軟土的特點，采取了相應的措施，如增加真空深井數(shù)量，并在施工過程中針對降水未到位的情況進行補井，保證降水疏干效果。另外增加基坑內(nèi)被動區(qū)加固范圍，即坑底以上6.8 m和坑底以下4～6 m范圍采用水泥土攪拌樁和高壓旋噴樁進行加固，改善被動區(qū)土性，增加圍護樁被動區(qū)抗力，從而減小基坑開挖期間圍護樁變形。

c.工程通過圍護體系和支撐體系的選型對比，最終制定合理的支護方案，加強了基坑施工的過程控制，保證了基坑的安全，最終達到了工程開發(fā)的預期效果。